CC BY
111
СИСТЕМА ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА ТОМСКА
Владимир Михайлович Лазарев
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, заведующий кафедрой геодезии, к.т.н., доцент, тел. 8-3822-472-881,е-mail: lazarevvm@mail.ru
В статье исследуются актуальные вопросы решения важной научно-технической проблемы развития и комплексного использования методов геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползнеопасных территорий с использованием современных геодезических технологий для раннего предупреждения об активизации опасных природных и техноприродных процессов.
Ключевые слова: геоэкологический мониторинг, факторы развития опасных
процессов, инженерная защита, зонирование территорий.
SYSTEM OF GEODETIC MAINTENANCE OF MONITORING OF LANDSLIDES PROCESSES IN THE CITY TERRITORY OF TOMSK
Vladimir M. Lazarev
Tomsk state university of architecture and building 2, Pl. Solyanaya, Tomsk, 634003, Russia, Head of the Geodesy Department of Tomsk State University of Architecture and Building (TSUAB), Associate Professor, Ph.D., e-mail: lazarevvm@mail.ru
In article pressing questions of the decision of an important scientific and technical problem of development and complex use of methods of geodetic maintenance of geoecological monitoring of dangerous processes territories with use of modern geodetic technologies for the early prevention of activization dangerous natural and anthropogenic processes are investigated.
Key words: geoecological monitoring, factors of dangerous processes expansions, engineering protection, zoning of territories.
В последние годы по данным МЧС России количество чрезвычайных ситуаций природного и техноприродного происхождения непрерывно и интенсивно возрастает, что связано с одной стороны с ростом урбанизации, а с другой широким распространением и активизацией опасных природных и техноприродных процессов. Катастрофические процессы приводят к разрушению зданий и сооружений и представляют реальную угрозу для жизни людей. Поэтому вопросы раннего предупреждения об активизации опасных природных и техноприродных процессов для обеспечения геоэкологической безопасности урбанизированных территорий становятся все более актуальными, а природные катастрофы в России включены в число стратегических рисков.
В основу новой стратегии обеспечения геоэкологической безопасности урбанизированных территорий положены три принципа - прогнозирование,
своевременное предупреждение и управление природными опасностями, а не борьба с их последствиями. Реализация указанных принципов требует хорошего знания закономерностей и механизмов развития опасных явлений. Поэтому одной из актуальных проблем обеспечения геоэкологической безопасности жизнедеятельности людей является изучение состояния и устойчивости геологической среды урбанизированных территорий при активизации опасных процессов, из которых исключительное значение приобретает изучение оползневых процессов природного и техноприродного характера.
Основополагающим методом изучения оползневых процессов различного генезиса являются геодезический метод, обеспечивающий объективную характеристику пространственных процессов, а геодезический мониторинг дает пространственно-координатную основу для интегрирования других геоэкологических методов и для принятия оптимальных управленческих решений. Актуальность данной тематики подтверждается созданием в рамках международного научного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2010» постоянно действующего семинара «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях», ориентированного на применение геодезических методов.
Существенное улучшение экологического состояния урбанизированных территорий и обеспечение их геоэкологической безопасности возможно только при разработке и реализации комплексных решений для природно-технических систем (ПТС), как единого целого, что невозможно без прогнозирования ожидаемых экстремальных явлений и организации инженерной защиты от их влияния. В связи с этим становится актуальным решение важной научнотехнической проблемы развития и обоснования методов как самого геоэкологического мониторинга оползнеопасных территорий, так и системы его геодезического обеспечения с использованием современных геодезических технологий, что требует как разработки теоретических основ контроля за развитием опасных процессов и их раннего предупреждения, так и теоретического обоснования объединения различных геодезических и геофизических методов и технологий в рамках комплексного геоэкологического мониторинга.
Практическое применение результатов исследований оползнеопасных территорий и природно-технических систем (ПТС) на урбанизированных территориях геодезическими методами позволяет реализовать на практике комплексную программу геоэкологического мониторинга за ПТС для раннего предупреждения активизации опасных процессов с целью организации инженерной защиты и предотвращения чрезвычайных ситуаций, что особенно актуально для обеспечения геоэкологической безопасности крупных городов и в частности для г. Томска, на территории которого решением городского координационного экологического Совета определено 33 оползнеопасные зоны, из которых наиболее опасными следует признать оползневой склон в мкр. «Солнечный» и район Лагерного сада на берегу р. Томь. Развитие оползневых процессов на этих участках наносит огромный ущерб городскому хозяйству из-за
деформации и разрушения существующих зданий и инженерных сооружений, что потребовало принятия на территории Томской области закона «Об оползневых зонах, расположенных в границах городских и сельских районов Томской области».
Таким образом геоэкологические проблемы оползнеопасных территорий приобретают исключительно важное значение и требуют самого пристального внимания к их решению, а разработка в рамках данной работы системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга оползневых процессов для их изучения, моделирования и прогнозирования во времени и пространстве с позиций опасности и риска для инженерных сооружений и геоэкологической безопасности жизни людей является в настоящее время весьма актуальной научно-практической задачей. При этом развитие и совершенствование геодезических методов изучения оползневых процессов будет безусловно способствовать не только повышению качества проектирования мероприятий по инженерной защите территорий и по обеспечению устойчивости зданий и сооружений, но и повышению результативности методов математического моделирования и прогноза.
Рассмотрим на примере г. Томска особенности применения традиционных методов геодезии для целей геодезического контроля за оползневыми процессами и их влиянием на состояние жилых домов, расположенных непосредственно на краю оползневого склона в мкр. «Солнечный», на территории которого оползневые процессы резко активизировались в 1996 г. Активизация оползневых процессов вызвала не только смещение грунтового массива в мкр. «Солнечный», на южном склоне которого располагаются два 10этажных панельных жилых дома, но и разрушение капитальных гаражей, построенных в качестве поддерживающего сооружения в непосредственной близости от жилого дома № 89, две секции которого были признаны аварийными и расселены.
В процессе внедрения системы геодезического обеспечения комплексного геоэкологического мониторинга за оползнями южного склона мкр. «Солнечный» в г. Томске и расположенными на склоне 10-этажными панельными жилыми домами ранее была создана специальная опорная геодезическая сеть, показанная на рис. 1, которая использовалась как каркасная основа системы геодезического обеспечения геомониторинга. Пунктами данной сети служат грунтовые реперы. В качестве исходных (опорных) приняты грунтовые реперы 15, 16, заложенные вне зоны оползневых процессов.
Данная геодезическая сеть уравнивалась с использованием программы «АРМИГ-РС» как линейно-угловая. По результатам уравнивания получены следующие точностные характеристики: средняя квадратическая ошибка
измерения угла по формуле Ферреро- тр =4,02"; средняя квадратическая ошибка единицы веса (направления)- ¡1 = 2,36"; максимальная средняя квадратическая ошибка стороны т^ = 5,1 мм. Результаты уравнивания показали, что расхождения координат 5х и 5у, определенных разными способами для идентичных реперов не превышают погрешностей их определения. В табл.1 для примера приведены средние квадратические погрешности тх, ту , тху определения координат и
положения пунктов по результатам уравнивания только линейно-угловой сети, вычисленные специальной программой "АРМИГ-РС" по формулам:
; ту, = \Лу[оУ~; тху, = ту ,
где т - ошибка единицы веса, характеризующая качество выполненных измерений; Qx , Qy -диагональные элементы весовой матрицы,
характеризующей геометрию сети.
Рис.1. Схема опорной геодезической сети для наблюдений за оползневым
склоном и жилыми домами
Таблица 1. Результаты уравнивания линейно-угловой сети
№№ пунктов Усл.корд Х, м. 5х Усл.корд. У, м. 8у тх , мм ту, мм тху,мм
7 451,416 5 287,069 3 4,0 1,8 4,4
8 462,018 4 462,964 7 4,4 4,6 6,4
55 507,206 5 197,172 5 5,5 4,0 6,8
6 525,435 6 111,518 9 6,4 6,4 9,1
14 574,396 8 140,713 8 8,1 5,8 10,0
13 584,217 10 104,188 11 8,6 7,1 11,2
Число направлений в сети-34, Измеренных сторон - 19, Всех измерений - 53, Необходимых измерений-14, Избыточных измерений-39.
Согласно интервальной оценке точности для истинных значений координат Х, У запишем
х - 1 тх <Х< х + 1 тх у - 1 ту <У< у + 1 ту
где коэффициент 1 выбирают из таблиц распределения Стьюдента. Для числа степеней свободы в данной сети г=39 и доверительной вероятности Р = 0.95 он равен 1 =2,0. Тогда для наиболее слабого места сети - гр.рп 13- при тх =8,6 мм, ту =7,1 мм (табл.1) будем иметь х-17,2 мм < Х <х +17,2 мм, у-14,2 мм < У <у +14,2 мм.
Отсюда следует вывод, что координаты пункта сети гр.рп.13 от цикла к циклу могут изменяться в пределах 25 - 30 мм., а предельное значение средней квадратической ошибки положения пункта сети при тху=11,2мм равно тпред=1;-тху=2-11,2 мм=22,4 мм. То есть с доверительной вероятностью Р=0,95 следует ожидать попадания центра пункта при нанесении его на план по координатам, вычисленным в разных циклах наблюдений, в окружность погрешностей со средним радиусом Я= 1 тху = 2,2 см., иначе говоря, наибольший интервал, внутри которого вектор смещения репера можно считать случайным, зависящим только от погрешностей определения координат пунктов сети определяется границами от -22 мм до +22 мм. с доверительной вероятностью Р=0,95, а при Р=0,997 определяется соответственно границами от -33,6 мм до + 33,6 мм. Если при этом учесть, что реальная величина векторов перемещения в плане большинства реперов мала, то фиксируется резкое изменение направления смещения (до 180 градусов), что и наблюдается на практике по результатам традиционных измерений.
В связи с тем, что координаты грунтовых реперов искажены неизбежными погрешностями измерений, то определение величины и направления плановых смещений реперов по результатам наблюдений в соседних циклах при их небольших абсолютных значениях будет недостоверным. Это связано с тем, что в результате таких вычислений при отсутствии явных перемещений, последние будут находиться в пределах окружности погрешностей определения положения пункта сети. Поэтому если величина смещения репера меньше двойной погрешности определения положения пункта сети или незначительно превышает ее, то делать заключение о наличии смещения репера по незначительному изменению координат в двух смежных циклах нельзя. По этой же причине нельзя за начало вектора смещения репера принимать координаты, полученные только по результатам первого цикла наблюдений, так как нет никаких оснований считать первое измерение безошибочным.
В связи с этим для выявления действительных смещений реперов была разработана специальная методика, позволяющая выделить реальные перемещения реперов и отделить погрешности измерений от смещений реперов, используя центральные координаты Х{ =ХГХ0; Уг- =У-У0, где координаты центра тяжести совокупности измеренных положений пункта в циклах наблюдений определяются по формулам
х1т1 + х2 т2 +... + хптп
у1т1 + у 2 т2 +... + Уптп
(1)
пт
По этим координатам и строятся графики изменения положения реперов с началом координат в точке (Х0 ,У0). На графики накладываются окружности погрешностей с радиусами Я= 1 тху= 2 тху, вычисленные для каждого пункта сети. Если все точки последовательно попадают в окружность погрешностей, то нет оснований предполагать плановые смещения реперов, поэтому выбирается их центр тяжести (распределения), который и принимается за начало вектора смещения репера. Относительно этого центра тяжести и определяется явное смещение положения реперов по отношению к другим циклам наблюдений, если величина смещения превышает Я= 2 тху , в противном случае нет оснований предполагать плановые смещения реперов и координаты из таких циклов используются для уточнения реального положения пункта.
Для примера на рис.2 приведены результаты анализа горизонтальных перемещений гр.рп.7 и 13 линейно-угловой сети, созданной на оползневом склоне в мкр. «Солнечный» г.Томска как по условным координатам, так и по центральным, то есть приведенным к центру распределения координат репера. Таким образом точность определения векторов смещения реперов традиционными способами путем использования метода триангуляции или линейно-угловых построений зависит от точности определения их координат, которая в свою очередь в существенной мере зависит от геометрии геодезической сети, расположения опорных пунктов в сети и их неподвижности и согласно табл. 1 изменяется от 8,8 мм до 22,4 мм, что не позволяет получить надежных выводов о перемещении грунтового массива в непосредственной близости от строений.
Схема плановых перемещений:
а) гр. рп. 7 по условным координатам
14
а) гр. рп. 13 по условным координатам
б) гр.рп. 7 по центральным координатам; окружность погрешностей 10мм
б) гр.рп. 13 по центральным координатам; окружность погрешностей 20мм
Рис. 2. Схема плановых перемещений гр. рп. 7 и 13 по условным и
центральным координатам
В связи с этим для наблюдений за оползневыми процессами в мкр. «Солнечный» были использованы спутниковые методы наблюдений с
использованием ОРБ-приемников, которые позволяют определять
пространственное положение объектов на земной поверхности с
использованием спутниковых геодезических (навигационных) систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Васильев Е.А., Гуляев Ю.П., Павловская О.Г. О повышении эффективности геодезических исследований динамики оползневых склонов.//Геодезия и картография.-2010. - № 9. -С. 6-9.
2. Ольховатенко В.Е., Рутман М.Г., Лазарев В.М. Опасные природные и техноприродные процессы на территории г. Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем. Томск: Печатная мануфактура, 2005. - 152 с.
© В.М. Лазарев, 2012
